【磁性颗粒膜】
拼译：granular
颗粒膜是由高温不相固溶的两种或更多组元所构成的复合薄膜。例如Fe-SiO2系统，当Fe的体积分数远比SiO2低时，铁将以颗粒的形态嵌入SiO2薄膜之中；反之，SiO2颗粒将嵌入铁的薄膜中，二者体积分数相当时，将相互交叉构成网络结构，改变二组元的比例，从而可以人为地控制薄膜的磁、电、光等性质，成为新型的一类功能材料。设A、B为不相固溶的金属、半导体、绝缘体、超导体，原则上有10种可能组合(表1)，而每一种组合中又可衍生出许多组元和组分不同的颗粒膜，所以它的研究对象与内涵是十分丰富的。目前已发现在一定的组成与微结构条件下，它可以呈现异常的吸波性、非线性光学性质、磁性反常变化、磁电阻效应、反常的电子运输特性等，从而为传感器、吸波体、光电、光热转换、磁记录等领域开辟了广阔的应用前景。 表1 各种类型的颗粒膜组合 
注：×——研究较多 √——有研究报导 －——尚未见报导60年代，金属－绝缘体颗粒膜就被用来制造高电阻、低温度系数的电阻器，称之为金属陶瓷，采用共蒸发或共溅射的工艺制备，研究了网络结构时导电性由金属型转变为绝缘体型的逾渗效应，发现了超导(铝)颗粒膜的超导临界温度随颗粒尺寸变小而增大的现象。70年代人们研究了Ni-SiO2、Ni-Al2O3颗粒膜的铁磁性，发现随着颗粒尺寸减少，居里点将下降，在一定金属颗粒尺寸下将会呈现超顺磁性。颗粒尺寸攸关于组成、基片温度等工艺因素，通常随着基片温度升高而颗粒趋于变大。当Ni含量较高时，室温呈铁磁性，当SiO2体积百分比数超过60%时呈现超顺磁性。Ni-SiO2颗粒膜的磁化率与温度关系曲线在截止温度TB附近呈现峰值，此现象同样存在铁磁超微颗粒的系统中，峰值温度与平均截止温度＜TB＞成正比例，Tx=β＜TB＞，β为依赖于颗粒尺寸分布的常数，对单一的颗粒尺寸分布β=1，Tx=TB，Wohlfarth将此现象归结于自旋玻璃态。80年代，钱嘉陵(C．L．Chien)研究组研究了铁基颗粒膜的直流磁性，发现对于Fe-SiO2颗粒膜，当铁的体积分数为46%时，矫顽力在2K温度下可高达199(KA／m)，(2．5KOe)。X衍射与穆斯堡尔谱研究表明，颗粒膜中的铁微颗粒为体心立方晶体结构。当铁的体积分数较低时，室温下呈现超顺磁性，体积分数约为0．46附近时，铁以单畴颗粒形态嵌于SiO2薄膜中，从而导致高矫顽力，当体积分数超过0．6时，相应于逾渗阈值，铁的颗粒将联结成网络状，其特性与连续膜的特性相似，矫顽力显著降低。从TB值推断颗粒膜的有效各向异性常数为106J／m3，比块状铁的磁晶各向异性常数104J／m3约高2个数量级。磁各向异性常数增加的机制，可能源于界面自旋钉扎效应，目前尚未深入研究。90年代除纯金属颗粒膜外，已开始研究合金系统的颗粒膜，如FeNi、FeCo、FeB、FeCu合金与氧化物的颗粒膜磁性，这对了解与人为控制颗粒膜的磁性，无疑是十分重要的。除金属－非金属颗粒膜外，90年代亦开展了金属－金属类型的颗粒膜，例如Ag、Cu元素在Fe中固溶量甚低通常小于5%，因此二者可组成颗粒膜如Fe／Ag、Co／Ag、Fe／Cu、Co／Cu等系统，其磁性依赖着组成比例与工艺条件，尤其是基片温度对颗粒尺寸的大小、磁性起着十分关键的作用。磁性颗粒膜研究的应用背景之一，是寻求新型的薄膜颗粒型的磁记录介质材料。1988年Baibich等人首先报导了Fe／Cr多层膜中存在巨磁电阻效应，继后在其他多层膜中亦观察到巨磁电阻效应，例如Co／Cu多层膜室温磁电阻值可超过65%，而对一般金属的磁电阻值通常小于2%～3%，因此这一现象立即受到国际上的普通重视，预期可应用于磁敏感元件，新型的薄膜磁头材料等方面。巨磁电阻的来源有人提出源于与自旋相关联的散射机制，自旋散射产生于铁磁体内或铁磁与非铁磁层的界面，尤其是界面粗糙度将会显著地影响巨磁电阻的大小，从原理上出发，对非均匀的磁性多相系统亦应当存在巨磁阻效应。1992年美国的Berkowitz与钱嘉陵科研组，彼此独立地发现在颗粒中亦存在巨磁电阻效应。磁电阻效应是指由于磁场而引起电阻的变化，因此其值必然与铁磁材料的磁化状态相联系的，实验表明，对磁性颗粒膜，在磁中性状态或磁化强度为零的矫顽力磁场下电阻值为最大，随着磁场增加而电阻值减小。颗粒膜制备较多层膜容易，巨磁电阻效应又是各向同性，这给应用带来较大的方便。目前已对Cu／Co、Ag／Co、Fe／Co、Fe／Ag、(Fe，Ni)／Ag等颗粒膜系统开展了研究工作。我国亦在实验与理论上开展了工作。磁性颗粒膜的研究工作开始于70年代，近年来才得到充分重视，尤其巨磁电阻效应的发现更活跃了这一领域的研究，而成为当前国际研究中的热点。展望未来，颗粒膜的磁光效应、微波磁性、磁记录特性、磁敏感特性必将受到重视。【参考文献】：1 GGitlleman J I，et al．Phy Rev B．1974，9：38912 Abeles B，et al．Adv．Phy1975，24∶4073 Chien C L．J．Appl．Phy．1991，69∶52674 Berkowity A E，et al．Phy Rev Lett．1992，68∶37455 Chin C L，et al．J．Appl Phy．1993，73∶53096 Berkowity A E，et al．J．Appl Phy．1993，73∶5320(南京大学博士生导师都有为教授撰) |